四川省南江县李家寨危岩特征与防治研究

董国明，杨春光，于孝民

（河北省地矿局第二地质大队，河北 唐山063000）

李家寨危岩位于四川省南江县红四乡惠民村一社的李家寨山上，属于典型的上硬下软结构山体斜坡。“5.12”地震和2008年9月24日暴雨（以下简称“9.24”暴雨）都发生了大规模崩塌，崩落物总体积约16000m3，造成6间民房被毁。危岩整体处于欠稳定或不稳定状态，对红四乡政府等单位和惠民村一社构成威胁。

1 危岩区工程地质条件

李家寨为长约500m的北西－南东向低山，山顶平缓，四周为断崖，直立状，崖高15～30m，崖下坡面陡峻，一般35°～45°，局部达60°，两侧为河谷，山体中部缓坡处为红四乡和惠民村所在地，与山顶相对高差50～80m，水平距离70～110m。出露地层为白垩系剑门关组和第四系崩积层及残坡积层。白垩系剑门关组呈砂岩泥岩互层结构，呈单斜构造，岩层产状145°～169°∠9°～10°。断崖上部为青灰色厚层砂岩，厚度15～30m，坡面均直立状，节理裂隙发育，主要有四组节理裂隙，为危岩体主要原生层；陡崖下部为棕红色泥岩（粉砂岩），厚度4～10m，受差异风化影响，在砂岩泥岩接触部位凹岩腔发育。李家寨陡崖下部斜坡为残坡积物粉质黏土夹崩积块石，块石分布不均，厚度2～4m。地下水类型以基岩裂隙水为主，储水性差，接受大气降水补给，在砂、泥岩交界地带局部有泉水排泄，水量很小且季节性变化较大。地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为7°。

2 危岩特征

2.1 危岩分布、类型及形态特征

2.1.1 危岩分布及形态特征

李家寨危岩主要由山顶部的厚层砂岩形成，在平面上呈椭圆状分布于李家寨四周，在地貌上形成悬崖绝壁，其长轴呈北西－南东走向，长500m，宽80～110m，陡崖壁总长1.2km，高度15～30m（图1）。

图1 危岩体分布及其周边概况图

“5.12”地震前李家寨危岩以零星掉块和小危石崩落为主，每年雨季时都有发生，位置主要集中在WY03～WY10之间。崩落物块径以0.5～1.5m为主，大块石较少。

“5.12”地震时整个李家寨椭圆状崖壁掉块现象普遍，并且在 WY03、08、09、10危岩处发生了崩塌，随后“9.24”暴雨又在WY01危岩处发生了崩塌，并伴随着多处掉块。两次崩塌崩落物大块石较多，块径以1～3m为主，最大7m有余。

经过勘查，最终确定危岩17处，其中危岩体12处，零星危石5块，危岩总方量约20000m3，危岩现状特征见表1。这些危岩稳定性较差，在降雨、地震等因素作用下，随时可能发生崩塌，危害山下红四乡政府等单位和惠民村一社。

表1 李家寨危岩现状特征说明表

2.1.2 危岩破坏方式

李家寨危岩均发育在泥岩上部的厚层砂岩中，受垂直崖壁或与崖壁斜交裂隙控制，砂岩被切割成柱状，岩体后部存在与边坡坡向一致的陡倾贯通或断续贯通的主控结构面。由于差异风化作用，危岩底部凹岩腔发育，局部临空，危岩重心多位于基座临空支点外侧，危岩体可围绕支点向临空方向旋转，形成倾倒式破坏。危岩体后部存在与边坡倾斜一致的贯通或断续贯通的主控面，剪出部位多出现在斜坡上，危岩体沿主控结构面剪切滑移失稳，形成滑移式破坏（见图2）。危岩WY06、11、14破坏方式为滑移式，其他危岩破坏方式为倾倒式。

2.2 危岩形成机制及影响因素

2.2.1 形成机制

李家寨危岩是在特定地形地貌、地层岩性条件下形成的。从地形上看，李家寨顶部为高陡直立的陡崖，坡面角75°～89°，局部反倾，向下为35°～60°的陡坡，上部危岩具有足够的临空空间和较大的势能；从岩性上看，上部陡崖为厚层抗风化能力强的砂岩，下部基座为抗风化能力弱的泥岩，极易形成凹岩腔，促使上部岩体裂隙发育。上部砂岩自身节理裂隙以平行崖壁和垂直崖壁两组节理最为发育，间距3～6m，把岩体切割成直立状长柱，由于底部存在凹岩腔，在岩体重力作用下，平行崖壁裂隙不断张开扩大，逐渐与母岩分离，为发生崩塌提供了条件，此时在内外因素影响下，崩塌随时都可能发生。

图2 危岩破坏方式示意图

2.2.2 影响因素

李家寨危岩形成崩塌的主要影响因素有地震、降雨、温差及风化作用等。降雨、温差和风化作用对李家寨危岩的形成和发展具有缓慢作用、持续进行、多诱发小危石崩落等特点。而地震作用不同，其强烈的地震波可以使山体瞬间产生大规模崩塌。“5.12”地震前李家寨以零星危石崩落为主，“5.12”地震时在崖壁上发生了大规模的崩塌，并且形成了很多处危岩体，随后的“9.24”暴雨又产生了崩塌。地震作用是李家寨危岩形成和发展最重要的影响因素。

3 危岩稳定性评价

3.1 定性分析评价

危岩稳定性分析评价采用了宏观定性分析法和工程地质类比法两种方法。

3.1.1 宏观定性分析

根据危岩裂隙发育情况、岩体完整性等特征，以及各危岩结构面赤平投影图（图3、4），对其稳定性进行宏观定性分析。WY01、09－1、09－2、10处于欠稳定状态，其他危岩处于基本稳定状态；发展趋势是WY01、05、06、09－1、09－2、10为不稳定状态，其他危岩为欠稳定状态。

3.1.2 工程地质类比法

图3 WY03－1危岩赤平投影图

图4 WY14危岩赤平投影图

把本次划定的危岩与已有的崩塌或附近崩塌区稳定的岩体进行岩体形态、崖壁坡度、结构面分布、产状、闭合及填充情况以及组合关系进行调查对比，以此分析李家寨危岩现状情况下的稳定性。评价结果为：WY01、03－1、05、06、08、09－1、09－2、10、15处于欠稳定状态，其他危岩处于基本稳定状态。

3.2 定量计算及评价

李家寨危岩 WY06、11、14按滑移式模型进行稳定性计算。危岩 WY01、03－1、03－2、04、08、12、13、15破坏方式为倾倒式，且属由后缘岩体抗拉强度控制类型，按公式进行计算；危岩 WY02、05、07、09、10破坏方式为倾倒式，且由底部岩体抗拉强度控制类型，按公式进行计算。计算结果为：工况Ⅱ情况下，WY01、03－1、05、06、08、09、10、11、14处于欠稳定状态，其余危岩为基本稳定－稳定状态；工况Ⅲ情况下，危岩全部处于欠稳定～不稳定状态。

3.3 稳定性综合评价

根据宏观分析、工程地质类比法和定量计算结果可知，在工况Ⅰ条件下，危岩体的稳定性评价结果基本相近，大部分处于基本稳定状态，少数处于欠稳定和稳定状态；在工况Ⅱ、Ⅲ条件下，处于欠稳定或不稳定状态。

3.4 危岩破坏后运动计算

倾倒式崩塌，岩体变形破坏时，崩塌体顶部首先脱离母岩，然后沿基座支点转动、崩落；滑移式崩塌，岩体破坏时，危岩首先沿母体坡面滑动，而后崩落至坡脚。

根据不同的坡体形态、结构特征，崩塌体在坡体上的运动方式不同，且在坡体上运动方式多样，有跳跃，有翻滚，或跳跃、翻滚相结合等，不同的剖面上反映的崩塌体运动方式不同。本次选取倾倒式危岩，用1－1′剖面进行分析（见图5）。

图5 1－1′剖面崩塌体运动方式分析（倾倒式）

在1－1′剖面上，WY01危岩崩塌体将先作斜抛运动，然后作坡面滚动直至坡脚，动能为0时停止运动。该危岩运动参数计算结果见表2。

表2 危岩运动参数计算结果表

由于影响崩塌体运动因素很多，运动形式复杂，崩塌与碰撞点的碰撞系数选取的人为主观因素影响较大，经过计算的崩塌滚石跳高还需参照相似的试验进行修正。野外试验中观察到的跳高为0.5～1.5m，WY01危岩块体较大，崩塌跳高较小，主要以坡面滚动为主。

4 崩塌发展变化趋势与危害性预测

4.1 崩塌发展趋势预测

通过对危岩稳定性的分析与评价，得出在地震与暴雨条件同时出现时，危岩大都处于不稳定状态。现状情况下，李家寨危岩在自然的风化、温差、降雨等因素作用下，可能出现下列情况：

（1）自然而然的变形、垮塌。如 WY01、09等危岩是“5.12”地震和“9.24”崩塌后残余的危岩体，稳定性很差，在自然状态下一些不利因素长期作用下随时可能崩塌。

（2）山顶出现裂缝。由于李家寨危岩带凹岩腔较为发育，随着凹岩腔的发育，卸荷作用的不断增大，山顶会出现卸荷裂缝。

（3）零星坠落、掉块。此情况对李家寨危岩带来说，已是常见现象，就李家寨危岩带发展来看，危岩零星坠落、掉块现象将长时间存在。

4.2 崩塌危害性预测

李家寨危岩崩塌危险区范围主要以野外调查的新、老崩积物所到达的范围，危岩崩落弹跳轨迹计算结果为依据进行划定。老崩积物从李家寨崖下缓坡（人类生产生活区）直至沟底；“5.12”地震和“9.24”产生的崩积物，大部分停留在李家寨崖下缓坡地带，有零星碎石滚落距离较远，到达了沟底。野外调查结果与危岩崩落轨迹、弹跳高度计算结果基本吻合，以此进行了危险区划定，红四乡政府等单位、惠民村以及乡间道路等都在危险区内（见图1）。

5 崩塌防治工程

5.1 防治工程总体思路

李家寨危岩具有零散分布、块体较大、凹岩腔发育、卸荷裂隙较多等特点。根据危岩特点，以及危害对象的重要性，防治工程的总体思路简单概括为：以固为主、固拦结合。“固”即采取工程措施增加危岩自身的稳定性，降低各危岩发生崩塌的可能性；“拦”即为在重点地段（主要是红四乡政府和惠民村等人口密集区）再增加一道防护工程，进一步保护人民群众生命财产安全。

5.2.1 设计工况

本次设计根据危岩体特点，参照规范设置如下3种工况：

工况I 自重（天然状态）

工况II 自重＋暴雨（暴雨状态）

工况III 自重＋暴雨＋地震（暴雨地震状态）

其中工况I、工况II为设计工况，工况III为校核工况。

5.2 设计工况、参数和标准

5.2.2 设计标准

根据危岩稳定性和成灾后的危害，确定WY01～WY10和WY15作为本次防治工程的重点，WY11～WY14以监测为主，本次不采取防治工程。参照国家相关规范，李家寨防治工程等级为Ⅱ级。支撑结构重要性系数γ0＝1.0，支撑建筑物抗滑稳定安全系数Ks≥1.30，抗倾覆安全系数Kt≥1.50；拦石墙设计建筑物抗滑稳定安全系数Ks≥1.30，抗倾覆安全系数Kt≥1.50；工程设计合理使用年限为50年。

5.2.3 防治工程岩土参数选取

根据室内岩土体试验，结合地区工程经验值，对治理工程设计基本参数建议如下：

（1）砂岩天然重度为25.7kN/m3，饱和重度为25.9kN/m3；天然状态下c＝2.7MPa，φ＝40.5°，抗压强度标准值12.3MPa，抗拉强度标准值0.83MPa；饱和状态下c＝1.55MPa，φ＝37.8°；泥岩饱和重度为26.1kN/m3；天然状态下c＝2.7MPa，φ＝38.4°，抗压强度标准值13.9MPa，抗拉强度标准值0.87MPa，饱和状态下c＝2.25MPa，φ＝37.1°。

（2）粉质黏土c＝31.7kPa，φ＝16.0°，地基承载力特征值为200kPa。

（3）混凝土 C15强度设计值：fc＝7.5MPa；混凝土C30强度设计值：fc＝15MPa；HPB235级钢筋：fy＝210MPa、HRB335级钢筋：fy＝300MPa。

5.3 防治工程措施

根据危岩形态、规模、危害对象和受力分析等，对WY01～WY10、WY15危岩采取“填缝灌浆＋削坡清危＋支撑＋镶补＋拦石墙”的综合防治措施（表3）。

6 结语

（1）“5.12”地震前李家寨崖壁以零星危石崩落为主，“5.12”地震对李家寨崖壁影响巨大，地震时不仅直接产生了崩塌，而且在崖壁上形成了许多处危岩，为“9.24”暴雨崩塌及以后的崩塌提供了条件。

表3 各危岩防治工程措施表

（2）李家寨危岩临空面发育，岩体中存在陡倾坡外的卸荷裂隙，有利于危岩的形成。岩体在长期风化作用下，软硬岩体产生明显的差异风化，使软硬岩层交界部位的软岩内缩，形成凹岩腔，硬岩外悬，形成危岩，在降雨、地震以及自然风化等因素作用下，都可能引发危岩失稳，形成崩塌灾害。

（3）李家寨危岩具有零散分布、块体较大、凹岩腔发育、卸荷裂隙较多等特点，结合危害对象重要性，确定灾害防治思路为以固为主、固拦结合。采用“填缝灌浆＋削坡清危＋支撑＋镶补＋拦石墙”的工程措施对危岩进行治理。以削坡清危、支撑、镶补和填缝灌浆等危岩稳固措施来抑制李家寨危岩的发生、发展，以拦石墙进一步提高防治工程效果。

［1］于孝民，纪燕祥，等.南江县红四乡李家寨危岩治理工程施工图设计报告［R］.河北地矿建设工程集团隧道工程公司，2009.

［2］胡斌，黄润秋 .软硬岩互层边坡崩塌机理及治理对策研究［J］.工程地质学报，2009，17（2）：200－205.

［3］王亮.危岩变形失稳机理及防治技术研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

［4］林福材.危岩体失稳运动特征与工程防治对策研究［D］.成都：成都理工大学，2009.

［5］DZ/T 0219—2006，滑坡防治工程设计与施工技术规范［S］.